Ισχυρότερες μπαταρίες από μετάξι!

Ενα νανοϋλικό από φυσικό μετάξι πενταπλασιάζει τις επιδόσεις των επαναφορτιζόμενων μπαταριών ιόντων λιθίου

Φαφούτη Λαλίνα

Ερευνητές από το Πολυτεχνείο του Πεκίνου ανέπτυξαν με βάση το φυσικό μετάξι ένα νανοϋλικό, το οποίο μπορεί να δώσει όχι μόνο περισσότερη ζωή αλλά και μεγαλύτερη χωρητικότητα στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου, αυξάνοντας εντυπωσιακά τις επιδόσεις που γνωρίζουμε σήμερα.

Αντικατάσταση του γραφίτη

Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου «κινούν» πολλές από τις καθημερινές συσκευές μας, από τα έξυπνα τηλέφωνα και τις ταμπλέτες ως τα ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα. Αυτόν τον συγκεκριμένο τύπο μπαταρίας χρησιμοποιεί εξάλλου ως «αποθηκευτικό χώρο ενέργειας» για τις νυχτερινές πτήσεις του και το ηλιακό αεροπλάνο Solar Impulse 2 που ξεκίνησε πρόσφατα για τον γύρο του κόσμου χωρίς καύσιμα. Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας ιόντων λιθίου - οι οποίες περιλαμβάνουν από μπαταρίες μέχρι υπερπυκνωτές - έχουν ως βασικό συστατικό τους τον άνθρακα, κυρίως μάλιστα με τη μορφή του γραφίτη, ο οποίος χρησιμοποιείται για την κατασκευή της ανόδου τους, δηλαδή του αρνητικού ηλεκτροδίου τους.

Ο γραφίτης ωστόσο έχει περιορισμένες ενεργειακές ικανότητες. Για τον λόγο αυτόν ερευνητές και εταιρείες κατασκευής μπαταριών σε όλον τον κόσμο αναζητούν μια καλύτερη εναλλακτική που θα τον αντικαταστήσει. Στο πλαίσιο αυτό έχουν δοκιμαστεί διάφορα υλικά - τον περασμένο χρόνο για παράδειγμα μια μελέτη έδειξε ότι η άμμος με υψηλή περιεκτικότητα σε χαλαζία μπορεί να τριπλασιάσει τις επιδόσεις των μικρών, «στρογγυλών» μπαταριών που μοιάζουν με νόμισμα. Καμία ωστόσο από τις προτάσεις που έχουν δοκιμαστεί ως τώρα δεν έχει αποδειχθεί τόσο ικανοποιητική ώστε να φθάσει στο στάδιο της παραγωγής για ευρεία χρήση.

Το μετάξι δεν είναι ενδεχομένως η πρώτη λύση που θα σκεφτόταν κάποιος ως εναλλακτική για την αντικατάσταση του γραφίτη στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Και δεν είναι ίσως τυχαίο ότι οι επιστήμονες που είχαν αυτή την ιδέα προέρχονται από την Κίνα, την «πατρίδα» του, όπου, όπως γνωρίζουμε από την Ιστορία, η μέθοδος παραγωγής του φυλασσόταν άλλοτε ως επτασφράγιστο μυστικό. Παρ' όλα αυτά εκτός του ότι προσφέρουν εξαιρετικά στιλπνά και απαλά πολυτελή υφάσματα οι ίνες που παράγουν οι μεταξοσκώληκες για να φτιάξουν το κουκούλι τους αποτελούν ένα οργανικό υλικό του οποίου οι μηχανικές ιδιότητες και η αντοχή είναι μοναδικές - συνιστούν ένα «θαύμα της φύσης» που κανείς δεν έχει κατορθώσει να μιμηθεί στο εργαστήριο.

Αυτές οι αξεπέραστες ιδιότητες ήταν ο λόγος για τον οποίο οι ερευνητές από το Πολυτεχνείο του Πεκίνου, αναζητώντας μια οικολογική, «βιοανανεώσιμη» εναλλακτική για την αντικατάσταση του γραφίτη στις μπαταρίες ιόντων λιθίου,  στράφηκαν στο συγκεκριμένο φυσικό οργανικό υλικό. Το επεξεργάστηκαν έτσι ώστε να δημιουργήσουν με αυτό νανοφυλλίδια με βάση τον άνθρακα τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποίησαν για την κατασκευή πρότυπων μπαταριών και υπερπυκνωτών στο εργαστήριό τους. Οπως διαπίστωσαν, τα «μεταξένια» πρότυπά τους είχαν εξαιρετικά αυξημένες επιδόσεις και διάρκεια ζωής σε σχέση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου με γραφίτη.

Ανώτερες επιδόσεις

Συγκεκριμένα οι μπαταρίες με το νανοϋλικό από μετάξι είχαν χωρητικότητα 1.865 mAh/g, πέντε φορές μεγαλύτερη από τη χωρητικότητα των 372 mAH/g που μπορούν θεωρητικά να έχουν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου με γραφίτη, και πυκνότητα ρεύματος 0,1 A/g. Παράλληλα διατηρούσαν υψηλή σταθερότητα περίπου 92% ύστερα από 10.000 κύκλους επαναφόρτισης, κάτι το οποίο σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν και να επαναφορτιστούν πολύ περισσότερες φορές από τις συμβατικές μπαταρίες.

Στη μελέτη τους, η οποία δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «ACS Nano» της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας, οι επιστήμονες με επικεφαλής τον δρα Τσιαμπάο Κάο επισημαίνουν ότι η μέθοδός τους για το «πέρασμα» του νανοϋλικού στις μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι απλή και μπορεί να εφαρμοστεί σε ευρεία κλίμακα. Πιστεύουν δε ότι το υλικό τους μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των μπαταριών ιόντων νατρίου ή υδρογόνου καθώς και άλλων υβριδικών συσσωρευτών ενέργειας.

ΤΟ ΒΗΜΑ science

 
* Οι απόψεις του ιστολογίου μπορεί να μη συμπίπτουν με τις απόψεις του/της αρθρογράφου ή τα περιεχόμενα του άρθρου.